单片机的内部结构

一.单片机的内部结构

  单片机是把微型计算机的主要组成部分CPU、存储器、输入／输出接口等集成在一块超大规模集成电路芯片上。下图为典型的单片机内部结构图。

    它是由CPU系统、程序存储器、数据存储器、各种I/O端口、基本功能单元(定时器/计数器等)组成。
    1．CPU系统
    CPU系统包括有CPU、时钟系统、复位、总线(BUS，即信号的公共通道)控制逻辑。
    (1)CPU
   单片机中的CPU与微型计算机中的CPU有所不同，它的特点是，面向控制、面向嵌入系统、面向单芯片化。
    (2)时钟系统
    时钟系统用于产生单片机工作所需的时钟信号。它必须满足CPU及单片机内各单元电路对时钟的要求。时钟振荡器的工作频率一般在1.2～12MHz。
    (3)复位电路
    复位电路应满足上电复位、信号控制复位的要求。
    (4)总线控制逻辑
    总线控制逻辑应满足CPU对内部总线和外部总线的控制要求。
    2．程序存储器
    程序存储器是一种只读存储器ROM(Read Only Memory)，用它来固化单片机的应用程序和一些表格常数。单片机生产厂家按单片机内部程序存储器的不同结构，形成单片机的不同结构类型，计有：
    (1)Mask ROM型
    由半导体生产厂家提供掩膜(生产集成电路的一种工艺)状态的程序存储器。使用这类单片机时，用户将调试奸的程序交给半导体生产厂家，在单片机掩膜工艺阶段将程序代码和数据掩膜到程序存储器中。这种存储器可靠性高、成本低，但程序只能一次生成不能修改，适合定型产品批量生产。
    (2)EPROM型
    这是一种紫外线可擦程序存储器，使用这种存储器的单片机芯片上面开有一个透明窗口，可通过紫外线照射(一般照射5分钟左右)可擦除片内所有信息，使其内容全为“1”。这类存储器，用户自己就可以使用写入器S(市场上有产品销售)把程序方便地写入存储器。若需修改时，可用紫外线檫除后再重写。这种存储器用户使用方便，适合产品研制过程或试制过程使用。但这种存储器价钱较高，而且必须使用专用的写入器，修改时也较麻烦(需紫外线擦除且只能全部擦除)。
    (3)ROM less型
    这是一种片内没有程序存储器的结构形式，必须在单片机片外扩展一定容量的EPROM器件。因此，这类单片机必须有并行扩展总线。
    (4)OTP ROM
    这是一种用户可一次性编程写入程序的程序存储器，写入程序时，用户需用专门的写入装置。这种单片机价钱便宜，适合定型的小批量产品，但写入的程序不能修改。
    (5)Flash ROM(MTP ROM)型
    这是一种用户可多次编程写入的存储器。程序存储器闪速存储器(FlashMemory)。这种存储器只需输入一定条件的电信号，可擦除字节或整片信息，因此修改数据非常方便。
    前三种程序存储器的单片机是早期的产品，目前EPROM、ROM Less型已较少使用。
    3．数据存储器RAM
    RAM是一种可读写的存储器，也叫随机存储器。单片机内部的RAM除了作为工作寄存器、位标志和堆栈区以外的单元都可以作为数据缓冲器使用，存放输入的数据或运算的结果。
    由于单片机主要是面向测控系统，所以单片机内部的数据存储器容量较小，通常不多于256字节，而且都使用静态随机存储器SRAM(Static Random Access Memory)。
    4．各种I/O端口
    I/O端口是计算机的输入、输出接口(T是输入，O是输出之意)。单片机中的I/O端口都是芯片的辅入/输出引脚。这些I/O端口，可分为以下几种类型：
    (1)总线输入／输出端口
    (2)用户I／O端口。由用户用于外部电路的输入／输出控制。
    (3)单片机内部功能的输入／输出端口。例如，定时器／计数器的计数辅入、外部中断源辅入等。
为减少单片机引脚数量，一般I／O口都有复式功能。例如不使用外部总线时，总线端口可出让给用户做辅入／辅出端口用。
    从I／O口的结构上还可以分为并行I／O口，即多位数据一起输出或输入，这种形式传送数据速度快但使用的引脚多。另—种I／O口称为串行I/O口，即传送数据是顺序输出或输入，这种形式可大大减少I/O口的引脚数，但传送数据较慢。
    5.基本功能单元
    基本功能单元是为满足单片机测控功能而设置的一些电路，是用来完善和扩大计算机功能的一些基本电路，如定时器／计数器，中断系统等。定时器/计数器在实际应用中作用非常大，如精确的定时，或者对外部事件进行计数等。